4. Tarefa 16 Introdução ao Ruído. Objetivo: Método: Capacitações: Módulo Necessário: Análise de PCM e de links

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1 4. Tarefa 16 Introdução ao Ruído Objetivo: Método: Ao final desta Tarefa você: Estará familiarizado com o conceito de ruído. Será capaz de descrever o efeito do Ruído em um sistema de comunicações digitais. Será capaz de calcular a Relação Sinal Ruído. As capacitações são conseguidas na execução dos exercícios desta Tarefa: Exercício 1 Ruído Exercício 2 Ruído em um Link Exercício 3 Relação Sinal/Ruído Cada Tarefa compõe-se de três elementos hardware, software e workbook. Candidatos devem demonstrar sua capacitação completando satisfatoriamente os exercícios deste workbook. Isto envolve preencher as lacunas, completar os diagramas em bloco, executar as medições e esboçar as formas de onda. Capacitações: Conhecimentos Práticos Básicos Medidas Cálculos Matemáticos em db Medições usando um Osciloscópio Conhecimentos Básicos de Medições usando um Analisador de Espectro Reconhecimento Módulo Necessário: Análise de PCM e de links

2 Teoria Ruído Podemos definir ruído em sistemas eletrônicos como sendo: Sinais elétricos indesejados que ocorrem em dispositivos elétricos ou eletrônicos, em circuitos ou sistemas, resultando em sinais espúrios que ocorrem na saída. O ruído pode vir de muitas fontes. Pode ser produzido pelo homem ou de causas naturais. Exemplos de ruído produzido pelo homem são os sinais que são irradiados de um sistema de ignição de carros, ou de um isolador defeituoso em um sistema de distribuição de energia elétrica aéreo. Um exemplo de ruído natural é aquele que emana do Sol como resultado de reações e radiações violentas que ocorrem lá. Ruído ocorre de forma aleatória. Ele pode ser classificado em dois tipos: Ruído branco Ruído de impulso Ruído branco tem um espectro largo e plano. Ruído de impulso é devido a uma série de distúrbios momentâneos (ou um único), e pode ter componentes de freqüência específicos com diferentes magnitudes. Dos exemplos dados, o ruído da ignição de um carro é um ruído de impulso, enquanto que o ruído do Sol é um ruído branco. Em um sistema de comunicações, o efeito total do ruído é uma função da freqüência usada, da localização, do tipo de antena e de receptor utilizados, das condições meteorológicas, etc, etc. Os efeitos do ruído Ruído em um sistema de comunicações digital tem um efeito bem diferente quando comparado aos sistemas analógicos. Num sistema digital apenas níveis fixos de sinais são permitidos. Quando o ruído está presente no sistema, o receptor deve decidir qual dos níveis permitidos representa o sinal ruidoso. Se a decisão estiver correta, o ruído não terá influência no sinal recebido. Se a decisão não tiver sido correta, os resultados são catastróficos. A teoria desta decisão é complexa e requer métodos de análise estatística para prever se ela foi tomada corretamente ou não. Não é possível prever a amplitude instantânea da tensão do ruído em um dado instante. Mas é possível prever a probabilidade que a amplitude do sinal de ruído exceda um determinado valor. Para isso a forma da função de distribuição em amplitude deve ser conhecida. Pode ser mostrado matematicamente que para o ruído branco esta função tem uma distribuição Gaussiana (em termos simples, na forma de um sino), e que a probabilidade de ocorrer um erro na decisão do estado de um sinal com ruído pode ser expresso como: Pe = 0,5{1 k [ A/(2 (2s) 0,5 )]} Onde: Pe é a probabilidade de um erro de decisão A é a tensão de pico do pulso de tensão s é a tensão rms do ruído k é uma constante, conhecida como função de erro. Isto mostra que a probabilidade de erro é proporcional à relação de A para s.

3 Esta relação é conhecida como relação sinal/ruído, e é normalmente expressa em decibéis (db). A probabilidade da ocorrência de erro aumenta à medida que a relação sinal/ruído diminui. Se colocarmos valores reais na expressão para Pe, encontramos que quando a relação sinal/ruído for maior que 18 db, a probabilidade de ocorrência de erro cai rapidamente com o aumento da relação S/N, enquanto que com uma relação S/N abaixo de 14 db a probabilidade se altera muito mais lentamente com a relação S/N. Valores típicos são: Pe = 10 2 para uma relação S/N de 14 db Pe = 10 4 para uma relação S/N de 17,5 db Pe = 10 8 para uma relação S/N de 21 db Uma probabilidade de erro de um em (Pe = 10 5 ) é considerada aceitável para sistemas de transmissão de dados reais. Relação sinal ruído A relação sinal/ruído, expressa normalmente em db, é geralmente um relação de tensões (lembre-se que ela pode ser expressa como uma relação de potências). Ela é dada por: S/N = 20log10(Vs/Vn) Onde Vs é a tensão do sinal e Vn é a tensão do ruído.

4 Princípios e Objetivos do Exercício 1 Este exercício introduz o conceito de ruído. Você vai ver como o ruído é aleatório e como a amplitude do ruído é mostrada, tanto no domínio do tempo, quanto no de freqüências. Ruído Em um sistema elétrico ou eletrônico, incluindo os sistemas de comunicações, sempre haverá sinais presentes que fazem com que sinais indesejados e espúrios estejam presentes na saída. Estes sinais são normalmente chamados de RUÍDO. Ruído pode vir de diversas fontes. Ele pode ser produzido pelo homem ou de fontes naturais. Por exemplo: ruído irradiado de um circuito de varredura de uma televisão ou de um contato elétrico que emite faíscas são produzidos pelo homem, enquanto que o ruído irradiado pelo Sol ou devido à ionização da atmosfera é de origem natural. Ruído ocorre aleatoriamente. Ele pode ser classificado em dois tipos: Ruído branco Ruído de impulso. Ruído branco tem um espectro amplo e plano de freqüências. Ruído de impulso é devido a uma série de distúrbios momentâneos e contém componentes de freqüência específicos com amplitudes bem diferentes. Nos exemplos dados, o contato com faiscamento é um ruído de impulso, enquanto que o ruído do Sol é um ruído branco. O gerador de ruído no workboard que você está usando produz uma saída que se aproxima do ruído branco. Se o ruído branco é observado no osciloscópio, sua tensão em um ponto determinado não é previsível. Ela é totalmente aleatória. Além disso, ele tem um espectro de freqüências totalmente plano e as amplitudes dos componentes são imprevisíveis e aleatórias também. Exercício 1 (Ruído) Tome um gerador de ruído como mostrado abaixo. Ajuste o controle de Nível da Portadora <3> ao mínimo e todos os outros controles na metade de seu curso. Monitore a saída do gerador usando o osciloscópio e o analisador de espectro. Responda as perguntas associadas com este exercício. Você vai precisar voltar a este exercício para fazer algumas medições de forma a responder as perguntas.

5 Perguntas do Exercício 1 1. Observe no osciloscópio a saída do gerador de ruído. Esteja certo que o nível da portadora <3> esteja no mínimo e ajuste o controle de nível de ruído <6> na posição intermediária. A amplitude do ruído é constante em relação ao tempo? Use o osciloscópio em grande escala para fazer uma estimativa da amplitude média da tensão do ruído. Ajuste o controle de nível de ruído <6> e verifique se a amplitude do ruído se altera. 2. Observe agora com o analisador de espectro a saída do gerador de ruído. Qual é a forma do espectro do ruído? 3. As características da saída do gerador se aproximam a que tipo de ruído?

6 Princípio e Objetivos do Exercício 2 Neste exercício você vai investigar os efeitos da introdução do ruído em um link de comunicações digital. Você vai ver que existe um limite definido abaixo do qual o ruído tem pouco ou nenhum efeito, mas acima do qual os efeitos são catastróficos. Ruído em um link Para ilustrar os efeitos típicos do ruído em um link de comunicações digital, um sinal em forma de triângulo é usado neste exercício. Isto é, obviamente, um sinal analógico. Ele deve ser convertido em uma seqüência digital antes de ser transmitido pelo link. Isto é feito pelo conversor analógico-digital (A/D). A forma de onda digitalizada é alimentada ao transmissor (Tx) para a transmissão pelo link. Neste exercício, o link é um link PCM em banda base, síncrono, apesar do que efeitos semelhantes podem ser encontrados independentemente do tipo de link usado. Em Tarefas posteriores, os efeitos serão investigados com mais detalhes. A forma de onda recebida e convertida pode então ser comparada com a onda triangular original. Sem que haja ruído algum injetado no sistema, as duas formas de onda devem ser muito semelhantes, demonstrando que o link está operando corretamente. O ruído pode então, ser injetado no link e seus efeitos podem ser observados investigando-se as formas de onda. Quando um bit que foi transmitido pelo link digital é recebido pelo receptor, a primeira operação que deve ser feita é determinar se se trata de um 1 ou de um 0. Se não houver ruído presente no link, a decisão sobre o estado do bit é feita normalmente sem erro. É como se houvesse um fio que conectasse Tx e Rx. Os circuitos do receptor têm portas lógicas cujas características são tais que existe uma faixa de tensões de entrada para a qual a tensão é considerada como um zero lógico, e outra faixa de valores para o um lógico. Estas faixas são bem largas, na prática. Se uma pequena quantidade de ruído estiver presente no link, a decisão ainda será feita sem erro, pois a amplitude do ruído não é suficiente para fazer com que o sinal ultrapasse sua faixa de valores e chaveie a porta lógica de entrada. Se mais ruído estiver presente, vai haver um ponto onde a amplitude instantânea do sinal seja suficientemente grande para chavear erroneamente a porta. Isto faz com que um 1 lógico seja registrado como um 0 lógico, ou vice-versa. Isto é, naturalmente, um erro. Se este erro ocorrer em um bit de dados, o resultado será a recepção de uma palavra errada. Com a onda triangular que está sendo usada neste exercício, isto é percebido como um glitch, um pico na forma de onda. Se este erro ocorrer numa palavra de sync, o link poderá perder o sincronismo por um período de tempo, até que a próxima palavra de sync seja reconhecida, re-sincronizando o link. O resultado será um período no qual a forma de onda de saída não está correta. Se a amplitude do ruído for suficiente, estes chaveamentos espúrios se tornam tão freqüentes que os dados e o sincronismo serão perdidos permanentemente e os dados decodificados estarão totalmente corrompidos. Exercício 2 (Ruído em um link) Neste exercício um sinal de entrada com uma onda triangular é digitalizado e transmitido por um enlace PCM. Use o osciloscópio para monitorar os sinais. Inicialmente ajuste o controle de Nível de Ruído <6> ao mínimo, o controle da largura de banda ao máximo e todos os outros controles no meio de seu curso.

7 Responda a todas as perguntas relacionadas com este Exercício. Você vai precisar voltar a este Exercício e fazer algumas medições de forma a responder as perguntas. Perguntas do Exercício 2 1. Esteja certo que o gerador de ruído está desligado (use a caixa Condições). Observe o sinal em diversos pontos do link com o osciloscópio. Os controles Dados 1 <8> e Dados 0 <9> devem ser ajustados de forma a obter um sinal na recepção. Estes controles definem os níveis limites do receptor. A onda recebida e decodificada (observe no ponto 27) tem a mesma forma que a que foi transmitida? 2. Alterne o gerador de ruído. Olhe no ponto de supervisão 27 com o osciloscópio e aumente suavemente o controle do Nível de Ruído <6> até que a forma de onda pareça se interromper. Então reduza o Nível de Ruído ligeiramente. Os controles de Dados 0 e 1 devem ser reajustados para obter um sinal na recepção. Observe o ponto 10 com o osciloscópio. Ligue e desligue o gerador de ruído. O sinal no ponto 10 se altera significativamente? 3. Olhe para o ponto 20 com o osciloscópio. Ligue e desligue o gerador de ruído. Ignore as alterações em amplitude do sinal (que é devido a uma característica do hardware do workboard que pode apenas trabalhar com uma amplitude máxima limitada de sinal + ruído, de forma que a amplitude do sinal é reduzida quando o sinal é aplicado). A forma do sinal no ponto 20 muda significativamente? 4. Você pode identificar o sinal desejado no ponto 20 quando o ruído é inserido? (Dica: O osciloscópio em grande escala dá uma visão melhor). 5. Reconecte o osciloscópio no ponto 27. Aumente o Nível de Ruído suavemente e observe a onda triangular desaparecer. Esta interrupção ocorre aos poucos, ou subitamente? Porque? 6. Você pode identificar agora o sinal digital desejado no ponto 20, quando o ruído é inserido?

8 Princípios e Objetivo do Exercício 3 Neste exercício você vai investigar o conceito da relação sinal/ruído aplicado às comunicações digitais. Presume-se que você tenha um conhecimento do significado das relações expressas em db. Relação Sinal/Ruído Como o nome sugere, isto é uma relação entre dois valores, normalmente expresso em db, entre a tensão do sinal e a tensão do ruído. É dada pela expressão: SNR = 20 log10(vs/vn) Onde Vs é a tensão do sinal e Vn a tensão do ruído. A forma do sinal digital é o de pulsos quadrados. A amplitude dos pulsos é normalmente considerada como a tensão pico a pico dos pulsos. Para obter a relação SNR correta, a amplitude do ruído deve ser considerada como pico a pico também. Isto é: SNR = 20 log10(vs p.p. /Vn p.p. ) Neste exercício você vai medir a amplitude do pulso, injetar o ruído e estimar a amplitude do ruído. A SNR pode então ser calculada. Como o ruído se aproxima do ruído branco, sua amplitude instantânea varia aleatoriamente. A medida pico a pico da amplitude que você executar será apenas um valor médio aproximado. Realmente, a forma mais comum de se medir o ruído é medindo a média estatística da amplitude por um período de tempo. Exercício 3 (Relação Sinal Ruído) Considere a fonte de informações com o ruído adicionado, como mostrado abaixo. Monitore seu sinal com o osciloscópio. Ajuste o controle do Nível de Ruído <6> no mínimo, o controle da largura de banda PCM <5> no máximo e todos os outros controles em suas posições intermediárias. Responda as perguntas associadas com este exercício. Você vai precisar voltar a este exercício para fazer algumas medidas de modo a responder as perguntas. Perguntas do Exercício 3 1. Assegure-se que o controle do Nível de Ruído <6> esteja no mínimo. Qual é a amplitude pico a pico da onda quadrada?

9 2. Ajuste o controle de Nível de Ruído <6> para aproximadamente um terço do curso. Observe o ruído no sinal. Qual é a amplitude pico a pico do componente de ruído? Isto pode ser difícil de medir com precisão, faça uma estimativa. 3. Qual é a relação sinal ruído aproximada, em db, para os valores acima? Resumo Nesta Tarefa você foi apresentado ao conceito de ruído associado com um sistema de comunicações digitais. Ruído branco e ruído impulsivo foram descritos e o workboard usa ruído branco para investigar os efeitos do ruído no link. Você pode investigar o espectro do ruído e ver que o ruído tem pouco efeito no desempenho de um link até que sua amplitude exceda um determinado limite, depois do qual o efeito pode ser catastrófico. Você foi apresentado ao conceito da relação sinal/ruído e calculou relações sinal ruído para o link.